Grundwissen Chemie Mittelstufe (10 SG)

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1 Grundwissen hemie Mittelstufe () Marie-Therese-Gymnasium Erlangen Einzeldateien: GW8 Grundwissen für die 8. Jahrgangsstufe GW9 Grundwissen für die 9. Jahrgangsstufe (MNG) GW9a Grundwissen für die 9. Jahrgangsstufe (SG) Diese Fassung des Grundwissens wurde im Dezember 2014 für das Marie-Therese-Gymnasium Erlangen von der Fachschaft hemie beschlossen. Arbeitsgrundlagen waren die Fassung der Wilhelm-Löhe-Schule Nürnberg und Diskussionsergebnisse in der Arbeitsgruppe DELTAPLUS Mittelfranken. Diese Grundwissenssammlung soll einen Überblick darüber geben, welche Grundfertigkeiten und -kenntnisse zum jeweiligen Zeitpunkt bzw. beim Eintritt in die Q11 vorausgesetzt werden. Sie umfasst nicht den gesamten vermittelten Stoff und ersetzt daher nicht die kontinuierliche Vor- und Nachbereitung. GW10 Grundwissen für die 10. Jahrgangsstufe (MNG) GW10a Grundwissen für die 10. Jahrgangsstufe (SG) Version 5.1 ( ) GW-hemie Komplette Grundwissenskartei 8-10

2 (Nr s. GW 9a) Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 25 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 25 Elektronegativität Polare Bindung Elektronegativität (EN) Eigenschaft der Atome, Bindungselektronen anzuziehen Die EN hängt von der Kernladung und der Größe der Atome ab. Die EN nimmt im PSE von rechts oben nach links unten ab: In einer Atombindung zieht der Bindungspartner mit der höheren EN die Bindungselektronen stärker an. Dadurch wird die Bindung polar ( ), es entstehen Partialladungen (δ+, δ-). Die Atombindung ist umso polarer, je größer die Elektronegativitätsdifferenz der Bindungspartner ΔEN ist. l δ+ δ-

3 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 26 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 26 Dipolmoleküle Ein Molekül mit polaren Atombindungen ist genau dann ein Dipol, wenn sich die Ladungsverschiebungen nach außen nicht aufheben. δ+ δ- Dipol δ+ Dipol l δ+ δ- δ- δ- δ+ kein Dipol Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 27 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 27 Zwischenmolekulare WW van-der-waals-ww Dipol-WW Wasserstoffbrücken van-der-waals-ww Anziehungskräfte zwischen spontanen und induzierten Dipolen steigen mit zunehmender Kontaktfläche und Molekülmasse wirken zwischen allen Teilchen (auch unpolaren) Dipol-Dipol-WW sind WW zwischen positiven und negativen Partialladungen von Dipol-Molekülen (z.b. l) Wasserstoffbrücken sind besonders starke Dipol-Dipol-WW sind bei geringer Molekülgröße die stärksten WW bestehen zwischen stark (nur durch F, N und ) positiv polarisiertem und einem nichtbindenden Elektronenpaar: + + F F

4 (Nr siehe GW 9a) Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 31 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 31 Säure: Protonendonator (Beispiel: l) Saure Lösungen enthalten mehr xonium- als ydroxidionen Säure saure Lösung neutrale Lösung Base alkalische Lösung c ( 3 + ) > c ( - ) Neutrale Lösungen enthalten gleich viel Teilchen beider Ionensorten: c ( 3 + ) = c ( - ) (l + 2 -> l - ) Base: Protonenakzeptor (Beispiel: N 3 ) Alkalische Lösungen enthalten mehr ydroxid- als xoniumionen: c ( 3 + ) < c ( - ) (N > N )

5 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 32 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 32 Wichtige Säuren Säure Säure-Anion l hlorwasserstoff l - hlorid (Lösung: Salzsäure) (Magensäure) N 3 Salpetersäure - N 3 Nitrat (Dünger- u. Sprengstoffherstellung) 2 S 4 Schwefelsäure 2- S 4 Sulfat (in Autobatterien) 2 3 Kohlensäure 2-3 arbonat (in Erfrischungsgetränken) 3 P 4 Phosphorsäure 3- P 4 Phosphat (in oca-ola) 3 Essigsäure 3 - Acetat (Konservierungsmittel) Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 33 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 33 Wichtige Basen Natriumhydroxid Na Kaliumhydroxid K alciumhydroxid a() 2 Ammoniak N 3 Lsg.: Natronlauge in Rohrreiniger, Laugengebäck Lsg.: Kalilauge zum Abbeizen Lsg.: Kalkwasser 2 -Nachweis, Kalkmörtel Lsg.: Ammoniakwasser Pferdemist, aarfarbe, überreifer amembert

6 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 34 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 34 Einer Protolyse ist eine chemische Reaktion, bei der Protonen übertragen werden. Protolyse Neutralisation Bei einer Neutralisation findet ein Protonenübergang von xonium- Ionen auf ydroxid-ionen unter Bildung von Wassermolekülen statt: Bei der Reaktion äquivalenter Mengen einer starken Säure mit einer starken Base bildet sich eine neutrale Lösung (p=7). z.b.: l + Na Nal + 2 allg: Säure + Base Salz + Wasser Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 35 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 35 Säure-Base-Titration Quantitatives Verfahren zur Bestimmung einer unbekannten Konzentration eines gelösten Stoffes (z.b. Säure) durch schrittweise Zugabe einer Lösung bekannter Konzentration (Maßlösung, z.b. Lauge) bis zum Äquivalenzpunkt ÄP (zu erkennen z.b. an der Änderung der Indikatorfarbe). Am ÄP gilt für die Titration von Säuren n( 3 + ) = n( - )

7 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 36 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 36 p-wert Der p-wert ist ein Maß für den sauren, neutralen oder basischen harakter einer wässrigen Lösung. Daher ist der p-wert auch ein Maß für die Konzentration der xoniumionen in einer wässrigen Lösung. Es gilt: Saure Lösung: p < 7 Neutrale Lösung: p = 7 Basische Lösung: p > 7 p-skala, Färbung mit Universalindikatorlösung: Salzsäure, ola dest. Wasser Natronlauge c = 1 mol/l c = 1 mol/l Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 37 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 37 xidation und Reduktion xidation: Abgabe von Elektronen (xidationszahl wird größer) Reduktion: Aufnahme von Elektronen (xidationszahl wird kleiner) xidationsmittel: oxidiert, nimmt Elektronen auf und wird dabei selbst reduziert Reduktionsmittel: reduziert, gibt Elektronen ab und wird dabei selbst oxidiert Redoxreaktion: chemische Reaktion, bei der Elektronen übertragen werden.

8 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 38 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 38 Elektrolyse: Eine Redox-Reaktion wird mit ilfe einer Spannungsquelle durch Zufuhr von elektrischer Energie erzwungen Elektrolyse Batterie/Galvan. Element Galvanisches Element: Die Umkehrung der Redox-Reaktion setzt elektrische Energie frei. Elektrolyse Galvanisches Element ZnI 2 à Zn + I 2 ΔE i > 0 Zn + I 2 à ZnI 2 ΔE i < 0 erzwungen freiwillig Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 39 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 39 Donor-Akzeptor-Prinzip Protolysereaktion Redoxreaktion Fast alle chemischen Reaktionen können als Donator-Akzeptor-Reaktionen beschrieben werden. Protolyse-Reaktion: Protonenübergang Redox-Reaktion: Elektronenübergang Protolyse- Reaktion Donator Säure Akzeptor Base Redox - Reaktion Reduktionsmittel xidationsmittel

9 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 40 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 40 Kohlenwasserstoffe sind nur aus - und -Atomen aufgebaut. Kohlenwasserstoffe Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 41 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 41 In einer homologen Reihe werden Moleküle zusammengefasst, die sich nur durch die Länge ihrer Kette aus Einheiten unterscheiden. omologe Reihe Beispiel: Alkane (Methan - Ethan - Propan - Butan - Pentan -...) Allgemeine Summenformeln: omologe Reihe der Alkane: n 2n+2 omologe Reihe der Alkene: n 2n omologe Reihe der Alkine: n 2n-2

10 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 42 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 42 Funktionelle Gruppen bestimmen mit ihren Eigenschaften das Reaktionsverhalten organischer Verbindungen: Funktionelle Gruppen Alkene Doppelbindung Alkine Dreifachbindung Alkohole arbonylverbindungen (Aldehyde und Ketone) ydroxygruppe arbonylgruppe funktionelle Gruppen arbonsäuren arbons uren Ester Amine N arboxygruppe Esterbindung Aminogruppe Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 43 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 43 Isomere Unterschiedliche Verbindungen mit gleicher Summenformel Isomerie Konstitutionsisomere (Strukturisomere) unterschiedliche Verknüpfung der Atome, z.b. n-butan 2-Methylpropan Stereoisomere unterschiedliche Anordnung der Atome im Raum, z.b. E/Z-Isomerie l l Z - 1,2-dichlorethen l l E - 1,2-dichlorethen

11 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 44 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 44 elektrophile Teilchen nucleophile Teilchen Radikale Elektrophile Teilchen haben an einer Stelle ein Elektronendefizit, sind also positiv geladen oder polarisiert. Nucleophile Teilchen haben an einer Stelle einen Elektronenüberschuss, sind also negativ geladen oder polarisiert. Sie haben mindestens ein nichtbindendes Elektronenpaar. Elektrophile Teilchen (Elektronenakzeptoren) reagieren stets mit nucleophilen Teilchen (Elektronendonatoren). Radikale sind Teilchen mit mindestens einem ungepaarten Elektron. Radikale sind besonders reaktiv. Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 45 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 45 rganische Verbindungen mit Einfachbindungen (Alkane, Alkohole, alogenalkane) haben die Tendenz zu Substitutionsreaktionen: Zum Beispiel: Radikalische Substitution bei den Alkanen organische Reaktionstypen: Substitution Lichtenergie + Br Br Br + Br Mechanismus (nur NTG): Die Radikalische Substitution läuft in drei Schritten ab: - Startreaktion (Bildung eines Radikals, z.b. durch Lichtenergie) - Ketten(fortpflanzungs)reaktion - Abbruchreaktionen (Kombination zweier Radikale)

12 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 46 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 46 rganische Verbindungen mit Mehrfachbindungen (Alkene, arbonylverbindungen) gehen Additionsreaktionen ein: Zum Beispiel: elektrophile Addition bei den Alkenen organische Reaktionstypen: Addition + Br Br Mechanismus (nur NTG): - Angriff des elektrophilen Teilchens an der Doppelbindung (hier: δ+ Br Br δ- ) - im zweiten Schritt nucleophiler Angriff (hier: Br - ). Br Br Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 47 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 47 organische Reaktionstypen: Kondensation und ydrolyse Kondensationsreaktion: zwei Moleküle verbinden sich miteinander unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (z.b. 2 : Esterbildung) ydrolyse: Spaltung einer Verbindung durch Reaktion mit Wasser (z.b. Esterspaltung) Veresterung Esterspaltung R 1 + R 2 Kondensation R 1 R ydrolyse arbonsäure Alkohol Ester Wasser

13 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 48 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 48 Redoxverhalten der organischen Sauerstoffverbindungen xidaton R Reduktion primärer Alkohol xidaton R 1 Reduktion R 2 sekundärer Alkohol R 3 xidaton R 1 R 2 Reduktion R Aldehyd R 1 R 2 Keton xidaton Reduktion xidaton Reduktion R arbonsäure xidaton Reduktion Nur Methansäure ist noch zu Kohlenstoffdioxid oxidierbar. tertiärer Alkohol Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 49 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 49 Nachweisreaktionen für Aldehyde Fehlingsche Probe Eine alkalische wässrige Lösung von Kupfer-(II)-sulfat wird bei vorsichtigem Erhitzen durch Aldehyde zu rotem Kupfer-I-oxid (u 2 ) reduziert (ziegelroter Niederschlag). (Ketone reagieren nicht) Silberspiegelprobe ier werden Silber-(I)-Ionen einer ammoniakalischen Silbernitratlösung (Tollens Reagens) bei vorsichtigem Erhitzen durch Aldehyde zu metallischem Silber (Silberspiegel) reduziert. (Ketone reagieren nicht)

14 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 50 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 50 Wichtige sauerstoffhaltige organische Verbindungen Methanol Ethanol Treibstoff Genussmittel, Brennstoff, Lösungsmittel exan-1,2,3,4,5,6-hexol (Sorbit) Zuckeraustauschstoff Methanal (Formaldehyd) Propanon (Aceton) Methansäure (Ameisensäure) Ethansäure (Essigsäure) Fruchtester Ausgangsstoff für Kunststoffe, Konservierungsstoff (Anatomie) Lösungsmittel Bestandteil von Ameisen- und Brennesselgift Essig, Konservierungsmittel Bestandteil natürlicher Aromen Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 51 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 51 Fette sind Triglyceride, d.h. Ester aus Glycerin und drei Fettsäuren. Fettsäuren sind langkettige gesättigte oder ungesättigte arbonsäuren. Fette

15 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 52 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 52 Monosaccharide sind entweder Polyhydroxyaldehyde oder Polyhydroxyketone, Kohlenhydrate: Monosaccharide Beispiele: Glucose (Traubenzucker) Aldose Fructose (Fruchtzucker) Ketose Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 53 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 53 Disaccharide Monosaccharide werden durch glycosidische Bindungen zu Disacchariden oder Polysacchariden verknüpft. Kohlenhydrate: Disaccharide Beispiele: Maltose Saccharose 2 2 2

16 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 54 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 54 Polysaccharide sind lange Ketten von glycosidisch miteinander verknüpften Monosacchariden. Beispiele sind: Amylose (aus α-glucose; spiraliges Molekül) Kohlenhydrate: Polysaccharide ellulose (aus β-glucose; gestrecktes Molekül) Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 55 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 55 Aminosäuren (2-Aminocarbonsäuren; α-aminocarbonsäuren) allg. Schema: Proteine: Aminosäuren Aminogruppe arboxygruppe 2 N R Rest Nur 20 Aminosäuren mit jeweils unterschiedlichem Rest bilden die Bausteine der Proteine ( proteinogene Aminosäuren ).

17 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 56 Gleichgewicht Struktur/Eigenschaften 56 Proteine: Aminosäuren werden durch Peptidbindungen zu Ketten verknüpft. Proteine Primärstruktur: Reihenfolge der Aminosäuren (AS-Sequenz), Sekundärstruktur: Regelmäßige geordnete Strukturen innerhalb der Aminosäurekette, die durch Wasserstoffbrücken zwischen Peptidgruppen stabilisiert werden: α-elix oder β-faltblatt. Tertiärstruktur: Räumliche Anordnung der elix- bzw. Faltblattstruktur durch WW zwischen den Resten Quartärstruktur: Räumliche Anordnung mehrerer Polypeptid-Ketten zu einem Gesamtprotein.